Výkonová relé - porozumění základům

Relé v zásadě fungují jako spínače, které řídí činnost ostatních spínačů v elektrických obvodech. Pomocí malého vstupního signálu ovládají obvody s vyšším výkonem. Aktivací malého signálu relé dojde k přivedení napětí na cívku elektromagnetu, která spustí pohyb kotvy. Tento pohyb následně vyvolá sepnutí elektrických kontaktů, které zajistí přenos energie do řízeného obvodu.

Jedna z hlavních výhod této konstrukce spočívá v její schopnosti izolovat malý řídicí signál od obvodu s vyšším výkonem. Tato izolace chrání nejen obsluhu před potenciálním nebezpečím, ale také zařízení před možným poškozením. Toto uspořádání také usnadňuje dálkové ovládání zařízení nebo systémů a umožňuje jejich obsluhu na dálku.

Zrod elektromechanických relé sahá až do roku 1835 a navzdory významnému pokroku používaných součástí a rozmanitosti v průběhu let jejich základní funkce přetrvávají dodnes. Jedno z nejznámějších relé v historii je relé výkonové. Zatímco všechna elektrická relé ze své podstaty řídí tok výkonu, nikoli všechna relé se správně nazývají „výkonová“. Tento článek se bude podrobněji zabývat výkonovými relé včetně jejich výhod, konfigurací a hlavních kritérií výběru.

Základy výkonových relé

Výkonová relé jsou známá svou specializovanou schopností řídit spínání vysokých proudů, v rozsahu od několika A až po podstatně vyšší hodnoty. Robustnější konstrukce a větší rozměry těchto relé umožňují jejich kontaktům odolávat vysoké proudové zátěži, což z nich činí ideální kandidáty pro aplikace vyžadující proudy typicky přesahující 10 A.

Relé se stále více uplatňují v různých průmyslových odvětvích, včetně automobilových systémů, ovládání výtahů, pohonů ventilů a různých zařízení vyznačujících se vysokými záběrovým proudy, jako jsou motory, solenoidy, napájecí zdroje a elektronické předřadníky.

Stejně jako ostatní elektrické komponenty, mají i relé vlastní omezení, pokud jde o výkon, který mohou bezpečně ovládat. Každému modelu je přiřazen maximální jmenovitý výkon zajišťující efektivní přizpůsobení různým zátěžím, od zařízení s nízkou spotřebou, jako jsou žárovky, až po robustní stroje, jako jsou velké motory. Překročení specifikovaného výkonu však může způsobit trvalé poškození relé.

Kromě toho může vychýlení kontaktů zapálit oblouk, který je charakterizován tokem proudu vzduchovou mezerou mezi kontakty relé, pokud jsou rozpojené a zároveň blízko sebe. Tento jev vyvolává kromě jisker a vývinu tepla další rizika, například erozi kontaktů a vytváření nežádoucího elektrického rušení, které může poškodit blízká zařízení.

Obrázek 1: oblouk na kontaktu elektromechanického relé. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Vstupte do světa výkonových relé, navržených speciálně na řízení elektrických zátěží zařízení s vysokým odběrem proudu, jako jsou ohřívače, motory, osvětlovací pole a průmyslová zařízení. Zvýšené proudové a napěťové jmenovité hodnoty výkonových relé pocházejí z velké části z použití materiálů spínacích kontaktů, které jsou odlišné od materiálů v běžných relé. Tyto materiály byly vybrány díky jejich schopnosti odolávat náročným podmínkám výkonových aplikací, což zajišťuje spolehlivý provoz a dlouhou životnost v náročných průmyslových podmínkách.

Materiály kontaktů výkonového relé

Pokud proud protéká kontakty relé, překonává odpor, což je faktor závislý na velikosti kontaktů jejich materiálovém složení. Zvýšený odpor nejen zesiluje výkon odváděný relé, ale také zvyšuje tvorbu tepla. Jedním z přístupů ke zmírnění přechodového odporu je pečlivý výběr kontaktních materiálů.

Konvenční relé jsou obvykle vybaveny kontakty vyrobenými ze slitiny stříbra a niklu, která je známá svou historickou všudypřítomností v konstrukci relé. Stříbro-niklové kontakty vynikají při spínání odporových zátěží, kde jsou proud a napětí ve fázi.

Naproti tomu relé navržená pro vyšší zatížení, například výkonová relé, volí kontakty vyrobené z materiálů, jako jsou stříbrný oxid kademnatý, stříbrný oxid cíničitý nebo slitina zlata. Tyto materiály jsou ideální pro manipulaci s indukčními zátěžemi, které se vyznačují fázovým posunem mezi proudem a napětím, což může vést k výrazným proudovým nebo napěťovým špičkám. Kontakty ze stříbrného oxidu kademnatého a stříbrného oxidu cíničitého nabízejí snížený elektrický odpor a zmírňují riziko svaření kontaktů v důsledku vysokých zapínacích proudů. Je pozoruhodné, že přijetí stříbrného oxidu cíničitého obchází obavy o životní prostředí spojené se slitinami na bázi kadmia, čímž je v souladu s regulačními standardy podporovanými některými státy.

Výkonová relé ve srovnání se signálovými relé

Výkonová a signálová relé představují v této oblasti dvě oblíbené varianty. Zatímco výkonová relé upřednostňují zpracování vyšších napětí a proudů, obvykle vydrží méně pracovních cyklů v rámci životnosti. Naopak signálová relé jsou navržena pro delší životnost, pracují však s nižším napětím a minimálním proudem.

Ačkoli jsou kontaktní materiály používané u výkonových relé schopné zvládat vysoké výkonové zátěže, nejsou ideální na spínání nízkých výkonů. Vyplývá to ze skutečnosti, že při nižších napětích má fyzické spojení mezi kontakty zásadní význam, který je důležitější než materiál kontaktů. Tento požadavek na dán faktory, jako jsou kontaktní tlak a čistota.

Použití signálového relé ve výkonové aplikaci sebou dále nese podstatná rizika, která potenciálně vyvrcholí kritickým selháním v důsledku přepětí nebo nadproudu. I kdyby takové relé tuto událost přežilo, postrádalo by klíčové funkce, jako je prevence zapálení oblouku a samočištění kontaktů, což ohrožuje dlouhodobou spolehlivost.

V rozhodovacím procesu mezi výkonovými a signálovými relé má zásadní význam dodržení základního pravidla: vždy spínaný výkon se musí vždy shodovat se jmenovitým výkonem relé. Tento stav zajišťuje optimální výkon, zmírňuje rizika selhání a udržuje integritu ochrany a souvisejících systémů. Více informací o signálových relé naleznete v dalším článku od společnosti Same Sky s názvem Signálová relé - porozumění základům.

Typy výkonových relé

Stejně jako běžná relé jsou také výkonová relé k dispozici ve dvou primárních typech: elektromechanická a polovodičová.

Elektromechanická výkonová relé provádějí regulaci dodávky energie do ovládaného zařízení pomocí kombinace elektrických cívek, magnetických polí, pružin, pohyblivých kotev a kontaktů.

Naopak polovodičová relé nevyužívají žádné pohyblivé části. Namísto toho ke spínání střídavého i stejnosměrného proudu využívají polovodičové součástky, jako jsou křemíkem řízené usměrňovače (SCR), TRIAKy (triodový spínač střídavého proudu) nebo spínací tranzistory. Polovodičová relé nabízejí ve srovnání s elektromechanickými relé výhody, jako jsou rychlejší spínací rychlosti a vyšší spolehlivost. Jejich nákladová efektivita je však omezená, neboť požadavky na výkon eskalují z důvodů vyšších nákladů spojených s robustními výkonovými polovodiči a se zahrnutím dalších součástí regulace tepla.

Obrázek 2: příklad polovodičového relé kombinovaného s chladičem. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Běžné konfigurace a klasifikace

Výkonová relé, podobně jako jejich nevýkonové protějšky, jsou kategorizována podle konfigurace kontaktů udávající počet zařízení, která mohou ovládat současně. Mezi běžné klasifikace patří:

• SPST (jeden spínací kontakt)
• DPDT (dva přepínací kontakty)
• 3PDT (tři přepínací kontakty)
• SP3T (jeden třípolohový přepínací kontakt)

V závislosti na stavu kontaktů v době, kdy relé není pod napětím, jsou kontakty provedeny jako spínací (NO) nebo rozpínací (NC).

Jmenovitá hodnota relé představuje maximální výkon, který může relé bezpečně a efektivně spínat. Tyto jmenovité hodnoty jsou obvykle vyjádřeny v A pro střídavý i stejnosměrný proud. S ohledem na bezpečnostní rezervu je velmi důležité, aby jmenovité hodnoty relé byly vyšší než jmenovité hodnoty spínaného zařízení.

Podobně jako u nevýkonových relé lze i výkonová relé také popsat pomocí „formy“ (Form). Fráze jako „1 Form A“ nebo „2 Form C“ poskytují přehled o charakteristikách relé. Číslo před výrazem „Form" udává počet popsaných kontaktů, kterými relé disponuje. „Form A" znamená spínací relé, zatímco „Form B“ znamená rozpínací relé. Označení „Form C“ a „Form D“ se vztahují na relé typu SPDT a udávají, která poloha je považována za rozpínací a zda je relé používá přepínání s přerušením, resp. přepínání bez přerušení. Ačkoli existuje mnoho dalších forem, následující čtyři jsou nejpoužívanější.

• Form A - spínací
• Form B - rozpínací
• Form C - přepínače SPDT s přerušením
• Form D - přepínače SPDT bez přerušení

Další kritéria

Některé další kritéria, která je třeba vzít v úvahu při výběru zařízení, zahrnují:

• Zapínací výkonové rázy: Některá zařízení mohou při spouštění produkovat nárazové výkony. Z důvodů zamezení poškození zařízení je důležité, aby tyto výkonové rázy byly identifikovány ještě před dimenzováním relé.
• Odrušovací prvky cívky: Cyklování relé může vyvolat vysokonapěťové přechodové jevy. Odrušovací prvky cívky zahrnují další součásti v obvodu na ochranu zařízení před těmito přechodnými jevy. Tím však může dojít ke snížení životnost relé. Je důležité stanovit, zda je konkrétní strategie použití odrušovacích prvků cívky nezbytná pro danou aplikaci.
• Blokování: blokovací relé si uchovává svou poslední polohu kontaktu i po odpojení aktivačního napětí. Tato funkce může být vyžadována pro určité aplikace.
• Šum: relé mohou produkovat elektromagnetické (EMI) nebo radiofrekvenční rušení (RFI), která mohou být výraznější u výkonových zařízení. Je důležité předem stanovit citlivost zařízení nebo systému na tento šum.
• Odskoky kontaktů: během cyklování relé mohou jeho kontakty zaznamenávat krátké cykly rozpínání/spínání, známé jako odskoky kontaktů generující elektrické impulsy. V závislosti na citlivosti aplikace mohou tyto odskoky způsobit nežádoucí účinky, proto je důležité před dimenzováním relé stanovit, zda odskok kontaktu ovlivní danou aplikaci.

Obrázek 3: příklad odskoku kontaktů a rychle se měnících napětí. (Zdroj obrázku:Same Sky)

Závěr

Relé jsou důvěryhodné, účinné a spolehlivé součásti poskytující bezpečné elektrické ovládání systémů a zařízení, to vše při zachování bezpečného oddělení obsluhy od provozního proudu. Výkonová relé, ať již elektromechanická nebo polovodičová, jsou speciálně navržena s vylepšenými funkcemi na ovládání vyšších napětí a proudů.

V návaznosti na stanovení potřeb výkonového spínání proudů zařízení v rámci jejich vývoje přichází společnost Same Sky s rozmanitou řadou výkonových a signálových relé. Ať již se jedná o spínání nízkých nebo vysokých proudů, společnost Same Sky nabízí reléová řešení na účinné a efektivní splnění široké škály potřeb.